基于Ba（Ti，Sn）O3陶瓷的压电多层膜的极化和弯曲行为

  介绍

  通常，压电弯曲致动器设计为具有一个压电有源层的单压电晶片或具有两个压电有源层的双晶片，其为FGM弯曲致动器由具有化学成分的一维梯度的单片陶瓷制成。极化过程将化学梯度转换成压电系数d31的梯度。通过胶层机械连接。

  这里，基于BaTi1xSnxO3制备致动器

  另一方面，在过去几年中，生产了单片陶瓷弯曲致动器。这些执行器基于功能梯度材料（FGM），具有压电活动的一维梯度。与传统的单面和双面晶片相比，基于FGM的弯曲执行器具有一些优点。首先，由于它们相对简单的制备，它们可以降低生产成本。其次，可以克服与胶合层相关的问题，如剥落或破裂。第三，压电活动的平滑梯度可以降低内部机械应力，延长寿命，提高压电弯曲装置的可靠性.2（BTS）不同锡量的陶瓷（0.0754x40.15）。压电性能在锡含量为7.5mol％时最大，随着锡量的增加而强烈降低。否则，介电系数e33随着锡含量的增加而增加。

  样品制备

BaTi1 xSixO3陶瓷（0.0754x40.15）采用经典的混合氧化技术生产。烧结在1400℃下进行1小时，加热和冷却速率为10K min 1，得到平均粒度约为80mm的粗粒陶瓷。

  通过连续压制相应的粉末制备具有锡含量梯度的整体多层结构。它们由两层，三层和四层组成，分别在下面的双压电晶片，三晶形和四变形中称为。层的化学组成和构造示于表1中。层以BTSx命名，其中x是锡的量，以mol％计。

在烧结期间，整体样品由于这两个部分的弯曲而分开进行。因此，例如对于N层，我们得到N个方程的系统。此外，我们可以使用BaTi1 xSixO3陶瓷层的不同热膨胀系数的条件导出多层系统的原始环P（E）。特别是，双晶结构获得了强烈的弯曲效果。比层数更高的样品的曲率。 4变形结构几乎没有弯曲。

  另外，为模型的变化准备了两种模型结构：传统的胶合弯曲装置和线连接系统，其中这些层仅电连接。线连接系统理想地对应于建模假设，因为在极化过程期间不会由层的不同剩余应变引起机械应力。可以使用胶合样品估计这种应力的影响。模型结构由陶瓷片组成，具有与整体样品相同的化学成分和配置。所有研究的样品具有相同的尺寸，长度L = 15mm，厚度H = 1.2mm，宽度W = 4mm。

  测量具有最低诱导或自发极化的层的原始环P（E），直到约2kV / mm的电场强度。我们假设材料在这个电场完全极化并且极化达到饱和。因为其他层中的极化不能高于具有饱和极化的层中的极化，所以剩余的层应该不是完全极化的。在图1中，示出了单层的原始环和双压电晶片的计算的P（E）曲线。

  而且，可以计算每层中依赖于施加电压的电场强度。这使我们能够得到平行于电场的应变S3的原始环。测量单层的维尔环，直到由该等式计算的该层中的最大电场。 （2）。

  这里，对于极化建模的基本思想，系统的有效应变S3由每层的位移决定。使用Eq。 （2）以下条件，

铁电多层结构的行为很简单

  建模的目的是计算由具有不同铁电性质的N层组成的结构的原始P-E曲线。我们假设介电位移D3是恒定的并且忽略电导率。因此，相邻层的极化P3相等，我们得出应变S3对施加电压的依赖性。这里，H是整个系统的厚度，h（i）是层i的厚度。图2说明了这种建模与实验结果的良好一致性。

极化对施加电压的依赖性分别对层中的电场强度E3有很大依赖于锡的量。我们使用具有一定锡含量的单个陶瓷片的测量原始环P（E），并且通过两个不同的多项式E（i）= f（P）分别用于增加和减少电场来测试实验数据。建模

  3.Bending行为

  3.1.Modeling

  通常，弯曲装置的偏移取决于纵向层的扩张的差异。两者，层的压电和介电系数都会影响扩张。首先，压电效应根据电场强度确定层的应变。另一方面，层中电场的值取决于介电系数。我们假设所研究的BTS陶瓷的弹性性质不依赖于锡的量。因此，可以通过Marcus4的理论计算单侧固定致动器末端的偏差d。

  样品固定在一侧，弯曲偏转用自由端的电容式偏转传感器测量。使用137Hz的正弦电压，远低于弯曲致动器的机械共振频率。

  向样品施加约100V的最大电压。在某些层中，电场强度可能更高，因为介电系数非常不同。在表2中，示出了4变形系统中每层的电场的值，对于施加的电压为约100V计算。这些值已由等式1导出。 （4）。

  对致动器施加双极电压，计算正负最大偏差的平均值。在图3中，看到导线连接的极化样品的最大偏差随着高于40V / mm的电压的增加而非线性地增加。在极化和整体样品之前胶合的样品显示出线性依赖性。

   层i中的电场以所施加的电压的平均最大偏差的以下方式取决于所施加的电压Uapp1和所有层的介电系数e33。

  否则，所有结构的偏差取决于非线性地施加电压的较高电压。

  此外，弯曲环是不对称的（图4）。

  在极化场的方向上，偏差强烈增加。在相反的方向上，弯曲变形小得多。对于已经存在的单片和胶合样品，这种非线性效应较弱。

  3.2。实验结果

  优化极化过程以获得单层的最佳压电性能。施加DC电压5秒。所有样品在室温下极化。有线连接系统用于确定极化期间连接的压电和介电系数。

图2.单片修整器的测量和建模的原始环S3（E3）。

图3.最大偏差的平均值取决于对整形系统施加的双极性电压。

图4。在施加的电压为约100V时，单片和模型致动器的双极弯曲环。

图5.模型结构和单片弯曲装置的偏差取决于施加电压为30 V时的层数。

  在图5中，将实验结果与建模进行了比较。仅使用在小电压（30V）下测量的数据，其中非线性效应消失。线连接极化样品的数据与建模最佳一致。使用分析近似也可以很好地描述具有多于两层的整体样品的弯曲。我们假设整体双压电晶片的差异与烧结时该样品的强烈弯曲有关。

  获得了较低的结构变形，这些结构在被极化之前首先被胶合。这可能是由于在极化后由垂直应变引起的电场垂直的机械应力。我们建议，由夹紧引起的机械应力会影响层的极化程度，从而影响压电和介电系数。整体样品是陶瓷，在层之间具有平滑的锡量转变。

  在基于FGM的这种装置中，机械应力应该低得多。此外，在极化时胶水的影响尚不清楚。

  4.Summary

  制备具有锡量梯度的整体Ba（Ti，Sn）O 3陶瓷并极化。极化后的剩余极化Pr略高于模型结构。我们假设这是由于整体陶瓷中相邻层之间的锡量的平滑过渡。我们发现与建模结果很好地对应。虽然在极化过程中具有较高自发极化层（BTS7.5）的最大电场强度要低得多，但这些层具有较高的压电系数。弯曲致动器的偏差在小的驱动电压下非常线性，并且可以用分析近似来描述。极化方向上的较高电压产生了增加的偏差。然而，致动器的偏转在负电场下降。尽管在整体结构和模型结构之间Pr的微小差异，但发现弯曲性能具有极好的一致性。基于FGM的整体弯曲装置并不逊色于类似的胶合致动器。否则，约0.02mm / V的弯曲变形远低于具有中间电极的传统装置，其中各层以相反方向（0.11mm / V）极化。